Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Topografie- und Materialanalyse im Nanometerbereich

Die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) ist eine zentrale Methode zur Topografieanalyse und charakteristischen Materialuntersuchung auf der Nanometerskala. Mit höchster lateraler und vertikaler Auflösung liefert AFM detaillierte Informationen über Oberflächenstrukturen, Rauheit und lokale Materialeigenschaften. Zudem wird die Rasterkraftmikroskopie zur Korrelation mechanischer, elektrischer und chemischer Eigenschaften eingesetzt.

Funktionsprinzip – so arbeitet die AFM

Bei der Rasterkraftmikroskopie tastet eine feine Messspitze, die sich an einem flexiblen Hebel (Cantilever) befindet, die Probenoberfläche Zeile für Zeile ab. Die Wechselwirkungen zwischen Spitze und Probe – z.B. elektrostatische oder adhäsive Kräfte – verursachen kleinste Auslenkungen des Cantilevers, die über einen Laserstrahl detektiert werden.

Aus diesen Signalen entsteht ein 3D-Bild der Oberfläche mit einer vertikalen Auflösung im Bereich weniger Ångström und einer lateralen Auflösung bis unter 10 Nanometer.

Durch spezielle Messmethoden lassen sich zusätzlich Materialeigenschaften erfassen, wie z.B.:

Elastizitätsmodul (E-Modul)
Adhäsionskräfte
Reibungseigenschaften
Elektrische Leitfähigkeit und Spannungsverteilung
Magnetische oder piezoelektrische Eigenschaften

Stärken der Rasterkraftmikroskopie

Höchste Auflösung
Nanometergenaue Abbildung von Topografie und Strukturen
Vielseitigkeit
Mechanische, elektrische und chemische Eigenschaften erfassbar
Zerstörungsfreie Analyse
Schonende Messung empfindlicher Materialien und Beschichtungen
Großflächige Messungen
Messbereiche bis 80 µm ermöglichen die Analyse größerer Strukturen oder Übergangsbereiche
3D-Darstellung
Präzise Visualisierung von Höhenprofilen, Partikeln oder Oberflächenstrukturen
Kombinierbarkeit
Integration mit optischen und spektroskopischen Verfahren wie PiFM, Raman oder REM

Grenzen der Methode

Messgeschwindigkeit
Die Abtastung erfolgt punktweise, größere Flächen benötigen daher längere Messzeiten
Probenanforderungen
Sehr raue oder stark strukturierte Oberflächen können nur eingeschränkt erfasst werden
Interpretation
Die Ergebnisse sind stark von Messparametern und Spitzengeometrie abhängig – eine erfahrene Datenauswertung ist daher essenziell

Typische Anwendungsfelder

Rauheits- und Topografieanalyse
Bewertung von Oberflächenstrukturen, Beschichtungen und Lackierungen
Materialcharakterisierung auf der Nanoskala
Ermittlung von Elastizität, Adhäsion oder Reibung in Kleb- und Funktionsschichten
Qualitätssicherung und Schadensanalytik
Untersuchung von Mikrodefekten, Haftungsproblemen und Strukturveränderungen
Forschung und Entwicklung
Analyse von Nanokompositen, Funktionsmaterialien und Plasma- oder Laserbehandelten Oberflächen

Anwendungsbeispiele

Use Case 1: AFM-Analyse an einer Kohlenstoff-Elektrode

Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie wurde die Struktur einer Kohlenstoffelektrode im Querschnitt im Rahmen einer Prozessentwicklung untersucht. Die Verteilungsbilder geben die Größenverteilung der Kohlenstoffpartikel und deren elektrische Kontaktierung wieder. Einzelne kleinere Partikel leiten kaum oder gar keinen Strom, was die elektrochemische Performance der Elektrode einschränkt. Das Verteilungsbild des E-Moduls zeigt zudem die verfüllte poröse Haftvermittlerschicht auf der Oberfläche der Al-Folie.

Die Ergebnisse demonstrieren die einzigartigen Vorteile AFM-basierter Analysenverfahren: Verschiedenste Informationen können simultan mit hervorragender Auflösung erfasst werden, sodass der Komplexität strukturierter Materialsysteme Rechnung getragen wird.

Use Case 2: AFM-Analyse einer defekten Barriere-Plasmabeschichtung

Eine defekte Barrierebeschichtung (PECVD-Beschichtung) auf einem Kunststoffmaterial wurde mittels AFM untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine ausgeprägte Rissstruktur und lokale Ausbrüche infolge einer mechanischen Überlastung oder ungünstiger Schichteigenschaften.

© Fraunhofer IFAM
AFM-Analyse einer defekten Barrierebeschichtung

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